传感器与检测技术课件 项目六 测量物体温度 任务6.1 热电偶传感器测量温度

项目六测量物体温度【项目思维导图】【项目教学目标】【知识目标】1.能理解温度测量的基本概念；2.能掌握温度传感器的分类；3.能理解热电偶的工作原理；4.能掌握热电偶的材料及结构；5.能了解热电偶的温度补偿方法；6.能理解热电阻的工作原理；7.能熟悉热电阻的结构和测量电路；8.能理解热敏电阻的特性和分类。【技能目标】1．会正确选用热电偶的型号；2．会正确安装和使用热电偶；3．能理解和选用热电阻的测量电路；4．能掌握热电阻温度传感器的选型方法；5．会正确的常用热敏电阻使用、测量方法。【素养目标】1.传感器的精度表示观测值与真值接近的程度，培养学生对精度应有更深刻的理解和更深层次的追求，测量为质量评价、质量提升、质量强国提供判据，培养学生领会计量蕴含的精益求精科学精神；2.科学是实实在在的，来不得半点虚假，培养学生能一切从实际出发、贯彻实事求是的思想路线。任务6.1热电偶传感器测量温度温度的宏观概念是冷热程度的表示，或者说，互为热平衡的两物体，其温度相等。温度的微观概念是大量分子运动平均强度的表示。分子运动愈激烈其温度表现越高。温度是一个最基本的物理量，是国际单位制7个基本量之一。自然界中任何物理、化学过程都与温度紧密联系。在生产生活中，温度是产品质量、生产效率、节约能源等的重大经济指标之一，是安全生产、正常生活的重要保证。温度控制在日常生活与工业生产中应用广泛，如大家熟知的饮水机、冰箱、冷柜、空调等制冷、制热产品都需要进行温度测量进而实现温度控制；任务描述任务描述：汽车发动机、油箱、水箱的温度控制，化纤厂、化肥厂、炼油厂生产过程的温度控制，冶炼厂、发电厂锅炉温度的控制，蔬菜大棚的温度检测与控制等，其目的是控制合理的温度或对温度上限进行控制，从而满足生活、生产、科研等需求。在轧钢过程中，钢坯的轧制温度是关键的工艺参数，钢坯温度控制的好坏，将直接影响产品的质量，加热炉的炉温在950～1200℃之间，它要跟随轧机轧制节奏的变化来随时调节，所以能否有效地控制加热炉的温度，直接影响钢坯的质量和成本，而对温度进行精确地测量是控制的前提。本任务就是针对轧钢工艺钢坯温度的控制，来选择一种合适的温度传感器来进行温度测量。知识链接：热电偶测量物体温度一、温度测量的基本概念

温度标志着物质内部大量分子无规则运动的剧烈程度。温度越高，表示物体内部分子热运动越剧烈。

温度的数值表示方法称为温标。它规定了温度的读数起点（即零点）以及温度单位。它确定了各类温度计的刻度。国际上规定的温标有：摄氏温标、华氏温标、热力学温标等。摄氏温标和华氏温标对比如图6-1所示。热力学温标是建立在热力学第二定律基础上的最科学的温标，是由开尔文（Kelvin）根据热力学定律提出来的，因此又称开氏温标。它的符号是T，单位是开尔文（K）。K氏温度是以绝对零度（绝对零度则是宇宙间可能出现的最低温度）为基点的热力学度量温标，而温度升高1K和升高1摄氏度的温度增量相同。即t/℃=T/K-273.15。所以，1k=-272.15℃图6-1摄氏温标和华氏温标知识链接：热电偶测量物体温度二、温度测量及传感器分类温度传感器按照用途可分为基准温度计和工业温度计；按照测量方法又可分为接触式和非接触式；按工作原理又可分为膨胀式、电阻式、热电式、辐射式等等；按输出方式分，有自发电型、非电测型等。热膨胀温度传感器：有液体、气体的玻璃式温度计、体温计，结构简单，应用广泛；半导体热敏电阻传感器：家电、汽车上使用，价格便宜、用量大、成本低、性能差别不大；金属电阻、热电偶、红外温度传感器：工业上常用，性能价格差别比较大，精度高的通常价格比较昂贵。集成温度传感器，利用晶体管PN结电流、电压随温度变化，有专用集成电路，体积小、响应快、价廉，测量150℃以下温度。知识链接：热电偶测量物体温度表6-1温度传感器的种类及特点知识链接：热电偶测量物体温度

几种温度传感器的应用：示温涂料（变色涂料）用在杯子图案上，装满热水后图案变得清晰可辨；变色涂料在电脑内部温度中的示温作用，CPU散热风扇低温时显示蓝色，温度升高后变为红色。图6-2变色涂料的应用知识链接：热电偶测量物体温度三、热电偶测温度热电偶是将温度转换为电压的热电式传感器，是工程上常用的一种温度检测传感器。它具有结构简单，使用方便、精度高、热惯性小、可测局部温度和便于远距离传送与集中检测、自动记录等优点。

热电偶是一种自发电式传感器，测量时不需要外加电源，可直接驱动动圈式仪表，直接将被测温度转换成电势输出。热电偶在温度测量中应用具有结构简单、使用方便、测量精度高、测量范围宽等优点。常用的热电偶测量范围为-50～1600℃。如果配用特殊材料，测量范围会更广。某些特殊热电偶最低可测到-270℃（如金、铁、镍和铬等），最高可达+2800℃（如钨、铼等）。各温区中的热电势均符合国际计量委员会的标准。知识链接：热电偶测量物体温度1.热电偶的工作原理将两种不同材料导体串接成一个闭合回路，如图6-3所示，如果两接合点的温度不同（T≠T0），则在两者间将产生电动势，而在回路中就会有一定大小的电流，这种现象称为热电效应或塞贝克效应。两种导体所组成的闭合回路称为热电偶，回路中的电势称为热电势；两个导体A和B称为热电极。测量温度时，两个热电极的一个接点1置于被测温度场（T）中，称该点为测量端，也叫工作端或热端：另一个接点2置于某个恒定温度（T0）的地方，称参考端或自由端、冷端。图6-3热电偶测温原理图知识链接：热电偶测量物体温度

2．热电势的组成

热电偶传感器热电势由温差电势和接触电势两部分构成。温差电势是金属两端因温度不同引起两端电子活跃程度不同，进而由一端向另一端移动的趋势引起；接触电势是不同金属的电子活跃程度不同，不同金属的接触面上电子有从一种金属向另一种金属转移的趋势引起，这种趋势随温度变化而变化。实验与理论都已证明：热电偶回路的总电势主要由接触电势引起。热电偶回路内要产生热电势需要满足基本的条件：①热电偶的两个热电极必须是两种不同材料的均质导体，否则热电偶回路的总电势为零。

②热电偶两接点温度必须不等，否则，热电偶回路总热电势也为零。

③当热电偶材料均匀时，热电偶的热电势只与两个接点温度有关，而与中间温度无关，与热电偶的材料有关，而与热电偶的尺寸、形状无关。知识链接：热电偶测量物体温度

四、热电偶的材料及结构

1．热电偶的材料

根据金属的热电效应原理，任意两种不同材料的导体都可以作为热电极组成热电偶，但是在实际应用中，用作热电极的材料应具备的条件：温度测量范围广、性能稳定、物理化学性能好。

一般来说，纯金属热电偶容易复制，但其热电势小：非金属热电极的热电势大、溶点高。但复制性和稳定性都较差；合金热电极的热电性能和工艺性能介于前面两者之间，所以目前合金热电极用的较多。常用的热电偶材料有铂铑、镍铬、镍硅、康铜、镍铜、纯铂丝等。知识链接：热电偶测量物体温度

2．热电偶的基本结构为了适应不同生产对象的测温要求和条件，热电偶的结构形式有普通型热电偶、铠装热电偶和薄膜热电偶等。（1）普通型热电偶。普通型热电偶结构如图6-4所示，主要用于测量气体、蒸汽和液体等介质的温度，热电偶通常由热电极、绝缘管、保护管和接线盒等几个主要部分组成，在工业上使用最为广泛。

热电极是热电偶的基本组成部分，使用时有正、负极性之分。热电极的直径大小由材料价格、机械强度、导电率、热电偶的用途和测量范围等因素决定。普通金属做成的执电极，其直径一般在0.5~3.2mm，贵重金属做成的热电极，其直径一般为0.3~0.6mm。热电极的长度则取决于应用需要和安装条件，通常为300~2000mm，常用长度为350mm。知识链接：热电偶测量物体温度

绝缘管用于热电极之间及热电极与保护管之间进行绝缘保护，防止两根热电极短路。形状一般为圆形或椭圆形，中间开有两个、如个或六个孔，热电极穿孔而过。制作绝缘管的材料一般为黏土、高铝或刚玉等，要求在室温下绝缘管的绝缘电阻应在5MQ以上，最常用的是氧化铝管和耐火陶瓷。

保护管是用来使热电极与被测温介质隔离，保护热电偶感温元件免受被测介质化学腐蚀和机械损伤的装置。一般要求保护管应具有耐高温、耐腐蚀的特性，且导热性、气密性好。制作保护管的材料分为金属、非金属两类。

接线盒供热电偶与补偿导线连接之用。根据被测对象和现场环境条件，可分为普通式、防溅式（密封式）两种结构。知识链接：热电偶测量物体温度

（2）特殊热电偶为适应工业测温的一些特殊需要，如超高温、超低温、快速测温等，从而出现了一些特殊热电偶。下面介绍两种我国生产的特殊热电偶。

1）铠装热电偶铠装型（Sheath）热电偶也称缆式热电偶。它是由热电极、绝缘材料和金属保护套管一起拉制加工而成的坚实缆状组合体，如图6-5所示。它可以做得很细很长，使用中可随需要任意弯曲，能解决微小、狭窄场合的测温问题，且具有抗震、可弯曲、超长等优点；测温范围通常在1100℃以下。内部的热电偶丝与外界空气隔绝，有着良好的抗高温氧化、抗低温水蒸气冷凝、抗机械外力冲击的特性。其优点是测温端热容量小，因此热惯性小、动态响应快；寿命长，机械强度高，弯曲性好，可安装在结构复杂的装置上。知识链接：热电偶测量物体温度

铠装热电偶的制造工艺：把热电极材料与高温绝缘材料预置在金属保护管中、运用同比例压缩延伸工艺、将这三者合为一体，制成各种直径、规格的铠装偶体，再截取适当长度、将工作端焊接密封、配置接线盒即成为柔软、细长的铠装热电偶。根据测量端的形式不同，可分为碰底型、不碰底型、露头型和帽型等如图6-6所示。（a）单芯结构：外套管也为个电极；（b）碰底型：测量端与外壳焊在一起；（c）不碰底型：常用结构；（d）露头型：强调响应速度，仅用于非腐蚀介质；（e）帽型：可用于腐蚀介质。图6-5铠装热电偶（a）单芯（b）碰底型（c）不碰底型（d）露头型（e）帽型图6-6热电偶类型知识链接：热电偶测量物体温度

2）薄膜热电偶它是将两种薄膜热电极材料用真空蒸镀、化学涂层等办法蒸镀到绝缘基板（云母、陶瓷片、玻璃及酚醛塑料纸等）上制成的一种特殊热电偶。这种薄膜热电偶的制作方法有许多种，如用真空蒸镀、化学涂层和电泳等。薄膜热电偶的特点可以做得很小、很薄（0.01~0.1um），具有热容量小、响应速度快（毫秒级）等特点。适用于微小面积上的表面温度以及快速变化的动态温度的测量，测温范围在300℃以下。薄膜热电偶是近年来发展起来的一种新结构型式，随工艺材料的不断改进，它将是一种很有前途的热电偶。图6-7薄膜热电偶知识链接：热电偶测量物体温度3.热电偶型号

标准型热电偶主要有：铂铑30-铂铑6热电偶，分度号“B”；铂铑10-铂热电偶，分度号“S”；镍铬-镍硅热电偶，分度号“K”；镍铬-康铜热电偶，分度号“E”；铁-康铜热电偶，分度号“J”；铜-康铜热电偶，分度号“T”。分度号、测温范围及特点见表6-2标准型热电偶。

非标准型热电偶包括铂铑系、铱铑系及钨铼系热电偶等。名称正热电极负热电极分度号测温范围（℃）特点铂铑30-铂铑6铂铑30铂佬6B0～1700℃超高温适用于氧化性气体中测温，测温上限高，稳定性好。在治金、钢水等高温领域得到广泛应用。缺点是常温时热电动势小，价格高铂铑10-铂铂铑10纯铂S0～1600℃超高温适用于氧化性、惰性气体中测温，热电性能稳定，抗氧化性强，精度高，但价格贵、热电动势较小。常用作标准热电偶或用于高温测量镍铬-镍硅镍-铬合金镍-硅K-200～1200C高温适用于氧化和中性气体中测温，测温范围很宽、热电动势与温度关系近似线性、热电动势大、价格低。稳定性不如B、S型热电偶，但是非贵金属热电偶中性能最稳定的一种。缺点是略有滞后现象，高温还原气体中易腐蚀镍铬-康铜镍-铬合金铜-镍合金E-200～900℃中温适用于还原性或惰性气体中测温，热电动势较其他热电偶大，稳定性好，灵敏度高，价格低。缺点是易氧化，高温时有滞后现象铁-康铜铁铜-镍合金J-200～750℃中温适用于还原性气体中测温，价格低，热电动势较大，仅次于E型热电偶。缺点是铁极易氧化适用于还原性气体中测温，精度高，价格低。在-200~0℃可制成标准热电偶。缺点是铜极易氧化铜-康铜铜铜-镍合金T-200～350℃低温适用于氧化性气体中测温，测温上限高，稳定性好。在治金、钢水等高温领域得到广泛应用。缺点是常温时热电动势小，价格高知识链接：热电偶测量物体温度

五、热电偶的温度补偿

热电偶测量的是一个热源的温度或两个热源的温度差。为此，必须把冷端温度保持恒定或采用其它方法进行处理。由于一般热电偶的输出电压与温度成非线性关系，因此，其特性不能用精确的数学关系描述，而是用特性分度表进行表征。一般手册上提供的热电偶特性分度表是在保持热电偶冷端温度T=0℃或25℃的条件下给出热电势与热端温度的数值对照。因此，当使用热电偶测量温度时，如果冷端温度保持0℃或25℃，则只要正确测出热电势，就可通过分度表查出所测的温度。

但实际测量中热电偶的冷端温度受环境或热源温度的影响，并不为0℃或25℃。为了使用特性分度表对热电偶进行标定，实现对温度的准确测量，必须对冷端温度变化所引起的温度误差进行补偿。知识链接：热电偶测量物体温度

1．零度恒温法0℃恒温器：将热电偶的冷端置于温度为0℃的恒温器内（冰浴法）。用于实验室或精密的温度测量。

其他恒温器：将热电偶的冷端置于各种恒温器内，使之保持温度恒定，避免由于环境温度的波动而引入误差。这类恒温器的温度不为0℃，需对热电偶进行冷端温度修正。图6-8零度恒温法知识链接：热电偶测量物体温度

2．补偿导线法

在实际测温时，需要把热电偶输出的电势信号传输到远离现场数十米的控制室里的显示仪表或控制仪表，这样参考端温度也比较稳定。热电偶一般做得较短，需要用导线将热电偶的冷端延伸出来。工程中采用一种补偿导线见表6-3，它通常由两种不同性质的廉价金属导线制成，而且在0~100℃温度范围内，要求补偿导线和所配热电偶具有相同的热电特性，但价格相对要便宜。

表6-3补偿导线法热电偶类型补偿导线类型补偿导线正极负极铂铑10－铂铜－铜镍合金铜铜镍合金镍铬－镍硅I型：镍铬－镍硅镍铬镍硅镍铬－镍硅II型：铜－康铜铜康铜镍铬－康铜镍铬－康铜镍铬康铜铁－康铜铁－康铜铁康铜铜－康铜铜－康铜铜康铜

补偿导线在0～100℃范围内的热电势与配套的热电偶的热电势相等，所以不影响测量精度。实质是相当于将热电极延长。根据中间温度定律，只要热电偶和补偿导线的二个接点温度一致，是不会影响热电动势输出的。知识链接：热电偶测量物体温度

3.计算修正法测量值再加上冷端温度到0℃的热电势，现可利用计算机进行自动计算补偿。

4.分度表修正法

实际应用中，热电势与温度之间关系是通过热电偶分度表来确定的。分度表是在参考端温度为0℃时，通过实验建立起来的热电势与工作端温度之间的数值对应关系，见表6-4K热电偶的分度表。

5．电桥补偿法

电桥补偿法是利用不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶，因冷端温度不在0℃时引起的热电势变化值，在热电偶与测温仪表之间串接一个直流不平衡电桥，电桥中的R2、R3、R4由电阻温度系数很小的锰铜丝制作，另一桥臂的RC由温度系数较大的铜线绕制，RP为限流电阻，其阻值因热电偶种类而异，如图6-9所示。电桥的4个电阻均和热电偶冷端处在同一环境温度，但由于RC的阻值随环境温度变化而变化，使电桥产生的不平衡电压的大小和极性随着环境温度能变化而变化，从而达到自动补偿的目的。图6-9电桥补偿原理图知识链接：热电偶测量物体温度表6-4K热电偶的分度表知识链接：热电偶测量物体温度

【精益求精】

测量精度是热电偶的主要参数，是选择热电偶的依据之一，精度表示观测值与真值接近的程度，本质上是一个质量概念；我们作为未来的工程师，对精度应有更深刻的理解和更深层次的追求。测量为质量评价、质量提升、质量强国提供判断依据，计量蕴含着精益求精的科学精神，在倡导满足人民日益增长美好生活需要的今天，更加需要我们坚定理想信念，张扬以精益求精等为基本内涵的工匠精神（敬业、精益、专注、创新），增强中国特色社会主义道路自信、理论自信、制度自信、文化自信，立志肩负起民族复兴的时代重任。知识链接：热电偶测量物体温度

六、热电偶的选用及安装

1.热电偶的选用

热电偶的选用应根据被测介质的温度、压力、介质性质、测温时间长短来选择热电偶和保护套管。在工业应用中，热电偶的选择首先应根据被测温度的上限，正确地选择热电偶的热电极及保护套管；根据被测对象的结构及安装特点，选择热电偶的规格及尺寸。常用的热电偶有：

（1）铂铑10一铂热电偶：属于贵重金属热电偶，正极为铂铑合金，负极为铂，短期工作温度为1600℃，长期工作温度为1300℃，物理、化学稳定性好，一般用于准确度要求较高的高温测量。但材料较贵，热电势较小，分度号为S。知识链接：热电偶测量物体温度

（2）镍铬一镍硅热电偶：它是非贵重金属中性能最稳定的一种，应用很广，正